Confiné dans une boîte de Petri, l’ "optobot " file entre les cellules biologiques. En surplomb, un chercheur contrôle cet automate lilliputien, les yeux rivés sur l’écran qui diffuse la scène, invisible à l’œil nu. "Ce robot mesure une dizaine de micromètres", décrit Sinan Haliyo, le chercheur qui l’a développé au Laboratoire interactions multi-échelles de l’Institut des systèmes intelligents et de robotique (Isir), en plein Paris. Des dimensions quatre fois inférieures au diamètre d’un cheveu qui lui permettent, par exemple, de venir "mesurer l’adhésion des cellules cancéreuses dans un échantillon", explique le scientifique, listant les possibilités ouvertes par ce robot.
Bijou technologique, l’optobot tire parti du principe des "pinces optiques", pour se mouvoir par l’entremise d’un laser, et de la micro-impression 3D. Une technologie indispensable pour fabriquer sa structure complexe, et tout particulièrement les quatre "poignées" sphériques de trois microns de diamètre nécessaires à ses déplacements.
Structures complexes
Flexibilité, personnalisation, complexité… L’exemple est symptomatique des bénéfices de l’impression 3D dans l’univers du tout petit. « Plus on descend d’échelle, plus les procédés de fabrication existants sont limités géométriquement », décrypte Michaël Gauthier, chercheur en micro-robotique au laboratoire Femto-ST, situé à Besançon (Doubs). D’un côté, l’usinage traditionnel (mécanique ou chimique) peine quand il s’approche du micron. De l’autre, les technologies utilisées dans l’industrie micro-électronique sont optimisées pour des productions de grandes séries et des formes relativement simples. Au milieu, "la fabrication additive vient bousculer les contraintes actuelles : elle permet de fabriquer de petits objets en 3D bien plus complexes qu’auparavant", juge Michaël Gauthier en décrivant des pièces courbées, creuses et même des structures lattices, à l’image de la tour Eiffel.
"C’est une technologie d’avant-garde qui évolue rapidement pour prendre une place importante dans les microtechniques", anticipe Sandra Liardon, la directrice du salon Micronora. Sans le Covid-19, qui a repoussé d’un an l’édition prévue en septembre à Besançon, l’événement de référence dans les microtechniques aurait consacré son animation phare au domaine.
Parmi les technologies utilisées dans la micro-impression 3D, la polymérisation à deux photons tient le haut du tableau. Portée par l’allemand Nanoscribe et le français Microlight3D, et sur laquelle s’appuie l’optobot de l’Isir, elle permet d’imprimer des pièces en plastique avec une résolution d’un dixième de micron. La performance a donné lieu à des démonstrations de force, de l’impression d’un château sur la pointe d’un crayon à papier par des chercheurs de l’université technique de Vienne (Autriche) fin 2016 à la réalisation d’un court-métrage en stop motion représentant David Bowie marchant dans le creux d’un sillon de vinyle par les laboratoires ULB-Tips à Bruxelles (Belgique) et Femto-ST à Besançon en 2019. Handicapée par sa lenteur, cette technologie sert pour l’instant les laboratoires de recherche en quête d’outillage de précision et d’applications industrielles encore à inventer pour des pièces de ce gabarit.
Une échelle au-dessus, une gamme de technologies parfait les procédés classiques de l’impression 3D macroscopique (stéréolithographie, fusion sur lit de poudre, jet de liant…) pour imprimer tous types de matériaux avec la précision requise des microtechniques. La fabrication additive de plastique et de tissus organiques par stéréolithographie est, par exemple, explorée par l’entreprise francilienne Fluigent pour produire à l’échelle industrielle des puces microfluidiques – ensemble de micro-canaux de quelques microns pour la manipulation des fluides – dans le cadre du projet européen Holifab, mené avec le spécialiste de l’impression 3D Sculpteo, implanté à Villejuif (Val-de-Marne), et le Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (Laas) de Toulouse (Haute-Garonne). "Si la fabrication additive aura du mal à concurrencer l’injection plastique pour les grandes séries, moins chère et plus rapide, elle permet un prototypage rapide et la personnalisation des micropuces en intégrant par exemple des formes 3D dans leurs canaux", pointe Nicolas Lafitte, le coordinateur du projet pour Fluigent en comparant les deux techniques. De quoi ouvrir de nouvelles possibilités en matière de tests et manipulations dans la santé et la chimie.
La limite des poudres
Au-delà de ces laboratoires d’un nouveau genre, les marchés visés par la micro-impression 3D sont multiples. Boston Micro Fabrication, groupe américain parmi les leaders mondiaux, expose sur son site, en vrac, boîtiers pour circuits intégrés, supports pour processeurs, stents et microsystèmes électromécaniques (mems). Micro-électronique, médical et optique sont aussi les secteurs visés par le suisse Femtoprint, positionné sur le créneau de la micro-impression en verre. Autre champion, l’israélien Nanofabrica se positionne dans l’outillage et est parvenu à imprimer un moule en polymères capable d’injecter une vingtaine de micromécanismes en plastique en mars dernier.
Du côté des pièces métalliques, les technologies progressent plus lentement. "Il est encore difficile de passer l’échelle micrométrique", note Sébastien Fontaine, qui travaille sur la fabrication additive en métaux précieux pour Francéclat, l’organisme professionnel de la bijouterie et de la joaillerie. La technologie la plus courante, dite de fusion sur lit de poudre, peut descendre à quelques dizaines de microns de précision. Mais elle est limitée par la taille des grains métalliques et les états de surface des pièces, marqués par les couches de dépôt et les bavures. Plusieurs start-up, l’allemande 3DMicroprint en tête, travaillent donc à développer des poudres plus fines et des fusions plus précises. D’autres parient sur des techniques émergentes.
À Saint-Étienne (Loire), le Centre technique des industries mécaniques (Cetim) travaille sur le metal binder jetting. Plus rapide, plus précis et moins sujet aux déformations, ce procédé dépose un liant sur les poudres métalliques avant de les fritter, c’est-à-dire de souder les grains sans atteindre la fusion, explique Benoît Verquin, spécialiste de la fabrication additive au Cetim. Apôtre de cette technologie, qu’il expérimente en prototypage dans son entreprise de moulage par injection de métal Alliance Mim, à Saint-Vit (Doubs), Jean-Claude Bihr reconnaît ne pouvoir réaliser pour l’instant que "des produits d’art, inutilisables en production". Une affaire de temps affirme-t-il enthousiaste, pronostiquant que "cette technologie pourrait remplacer les presses d’injection d’ici à quelques annéesé dans la microfabrication métal. Une prophétie qui ne devrait pas se réaliser avant quelques années, l’arrivée en production de la micro-impression 3D nécessitant, comme celle macro, de longues étapes de qualification et certification.
Jean-Daniel Penot, responsable fabrication additive chez Cesi, ingénieur et docteur en physique spécialisé dans les matériaux et les procédés :
« Trouver des applications pertinentes et rentables »
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Quelles sont les améliorations à l’origine de la micro-impression 3D ?
Les procédés sont les mêmes que pour l’impression 3D macroscopique, avec des progrès niveau précision. L’impression plastique se fait par stéréolithographie, qui consiste à polymériser un objet dans une cuve et dont la polymérisation à deux photons n’est qu’une amélioration. Du côté du métal, le procédé dominant reste la fusion sur lit de poudre, mais amélioré. -
Peut-on parler d’une technologie mature ?
Si on regarde les courbes du cabinet Gartner, cette technologie est au début du cycle de la hype [courbe décrivant l’évolution de l’intérêt autour des technologies naissantes et le risque de désillusion qu’elles portent]. Il y a quelques années de décalage avec l’impression macroscopique. Pour la micro-impression, les problèmes de qualification et de vérification des process ne font que commencer. -
Il existe encore peu d’applications industrielles de la micro-impression 3D. S’imposera-t-elle ?
Les cas d’usages sont la principale limite de la microfabrication additive. C’est un procédé coûteux. Il s’agit donc de trouver des applications à la fois pertinentes et rentables. En jouant notamment sur la personnalisation des pièces et les structures géométriquement complexes.
